智慧節水灌溉云系統的開發與應用

王建華，葉　彪（.浙江省錢塘江建設開發總公司，浙江 蕭山 30000；.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 30000）

智慧節水灌溉云系統的開發與應用

王建華1，葉彪2
（1.浙江省錢塘江建設開發總公司，浙江 蕭山 310000；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310000）

針對我國農業灌溉效率普遍低下，切合實際情況，將采用一個基于云服務的智能化節水灌溉自動控制系統，實現嘉興海寧錢塘江種植基地的節水灌溉自動化、智能化、現代化和先進性，為浙江省提供一個示范基地。在控制系統中，采用了云服務、移動互聯網平臺等關鍵技術，構建了系統管理、大數據庫服務、智能灌溉控制、移動視頻監管、移動遠程監控等組成系統。核心功能實現現地自動滴灌、自動控制操作；實現智能控制閉環；實現溫度、濕度的典型點數據監測與顯示，通過手機自動控制基地控制系統，實現遠程智能灌溉，可以查詢基地的溫度、濕度狀態等特色功能。解決農業灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。實踐表明，采用智能節水灌溉自動化，不但能夠達到節水的目的，而且可以實時監控整個農業生產基地狀態，提高農作物的生產效益，減少人工投入的成本以及基地的安全。該項目的實施對提高基地的智能化現代化水平、提高生產效益、減少水資源浪費、提高基地安全監管水平、增強基地的示范和輻射作用等方面具有重要意義。完成后將為基地高端節水灌溉合作產業化、搭建節水灌溉科技創新和推廣平臺打下一定基礎。

節水灌溉；智能；推廣；實施；云服務；示范

1　引言

據資料，我國農業用水量約占總用水量的80％左右，由于農業灌溉效率普遍低下，水的利用率僅為45％，而水資源利用率高的國家已達70％～80％，因而，解決農業灌溉用水的問題，對于緩解水資源緊缺是非常重要的。現有的節水灌溉系統雖然在降低作物灌溉成本，提高作物產量上有明顯的作用，但由于常規滴灌系統存在許多問題尚待解決，致使灌溉的合理性無法得到有效執行。主要有如下幾方面的問題：

（1）人工操作的隨意性過大，不能夠嚴格執行灌溉制度；

（2）經驗灌溉，無法保證灌溉的均勻度；

（3）全部人工操作，工做量大，無法解放勞動力。

通過實施灌溉自動化控制，可減少或避免人為因素的影響。因為作物生長需要水肥供應，而水肥供應靠精準灌溉來實現，滴灌技術和自動控制技術是精準灌溉最有效的技術解決途徑。滴灌技術為作物生長提供了技術保證，也為自動控制技術提供了應用平臺。因此可以說，滴灌自動化控制與智能化管理技術將使灌溉達到真正節水增產增效之目的。

2　總體方案構建

2.1總體目標

實施的總體目標是：建立一個基于云服務的智能化節水灌溉自動化控制系統，實現嘉興寧海錢塘江種植基地的節水灌溉自動化、智能化、現代化和先進性，為浙江省提供一個示范基地。實施還引入先進的移動互聯終端監控平臺，對智能節水灌溉自動化系統的總體框架設計如圖1所示。

其主要內容包括：

（1）基地基礎灌溉設施建設（包括水泵、增壓泵、水池、管道、閥門、安全閥、渠道建設等）；

（2）現地自動化控制系統建設（包括傳感器、電磁閥、RS485通訊系統、PLC控制系統、控制機、現地狀態監控軟件、移動狀態監控系統）；

圖1　總體框架設計圖

（3）智能視頻控制系統（球形攝像頭、無線節點、智能網關、云臺、移動控制終端系統）；

（4）云服務平臺（包括云空間、云數據庫開發、云后臺服務系統、大數據存儲機制配置等）；

（5）移動互聯平臺（包括狀態無線發送系統、狀態無線接受系統、視頻無線接收系統、移動監控平臺）。

2.2總體功能分析及主要內容

（1）基地基礎灌溉設施建設

主要實現灌溉的基礎設備及設施，為可控系統。包括實施水泵、水池、管道、閥門、安全閥、渠道等。

（2）現地自動化控制系統建設

主要實現基本的現地控制功能，為后續的移動監控服務。傳感器、電磁閥、RS485通訊系統、PLC控制系統、控制機、現地狀態監控軟件、移動狀態監控系統。

（3）智能視頻控制系統

主要實現遠程視頻安全監管。主要包括球形攝像頭、無線節點、智能網關、云臺、移動控制終端系統。

（4）云服務平臺

主要實現云技術，升級監控系統。云空間、云數據庫開發、云后臺服務系統、大數據存儲機制配置等。

（5）移動互聯平臺

主要實現移動互聯，手機終端的狀態和視頻監控和監管。包括狀態無線發送系統、狀態無線接受系統、視頻無線接收系統、移動監控平臺。

3　核心功能描述

3.1系統管理

系統的初始配置，包括用戶登錄、權限管理、數據配置。基于云服務的角色訪問控制，可以對各模塊的訪問進行授權設置。

3.2大數據庫服務

采用基于云服務的大數據庫開發與管理，數據存儲在云空間，實現數據的實時查詢、歷史回放、狀態數據歷史查詢、報表、打印等功能。

3.3智能灌溉控制

實現現地自動滴灌、自動控制操作；實現智能控制閉環。實現溫度、濕度的典型點數據監測與顯示。

3.4移動視頻監管

實現遠程無線視頻監管，手機直接監管基地現場。

3.5移動遠程監控

通過手機自動控制基地控制系統，實現遠程智能灌溉。手機界面可以查詢基地的溫度、濕度狀態。

4　關鍵技術

4.1云服務

為了提高整個基地的示范和輻射作用，準備將最先進的云服務技術融入到整個自動化灌溉系統的實施過程。

浙江同濟水能水資源研究所和浙江禹貢信息科技有限公司聯合對智能節水灌溉自動化系統進行技術公關和升級，并成功地將云服務技術應用到智能自動化灌溉領域，在國內達到先進水平，該項技術獲得浙江省農業科技成果轉化與推廣獎。

本項目的實施擬采用最新版本的、最先進的“基于云技術的智能節水灌溉自動化控制系統”，旨在整個基地的灌溉現代化、智能化、高端化方面取得階段性的成效。

（1）基于云服務的大數據庫

數據庫采用云服務的大數據庫系統，節約了服務器、網絡等投資成本，也使得數據更加安全可靠，是最新技術的數據實現。

本系統采用云服務的大數據庫開發技術，在提高系統可靠性、安全性、可拓性的方面之外，節約了投資成本。使整個系統更加符合基地的實際需求。云服務的大數據庫如圖2所示。

（2）基于西門子PLC-200型現地智能灌溉控制系統

基于西門子PLC-200型為核心控制器的灌溉控制系統，如圖3所示。

1）嵌入智能現地控制軟件，與傳感器、采集器、串行通訊系統、觸摸屏、PC機、電磁閥等形成閉環控制。

2）采用無線網關，實現基于云服務的遠程移動狀態監控。

3）實現現地智能控制，觸摸屏控制，現地計算機控制等功能，實現數據查詢、打印等。

圖2　基于云服務的大數據庫平臺設計圖

圖3　基于西門子PLC-200型現地智能灌溉控制系統

4.2移動互聯

基于云服務技術的融入和技術突破，為客戶端的移動互聯提供了技術平臺保障。為了解決整個基地的遠程無縫監管問題，本項目的實施將引入先進的移動互聯終端監控平臺。浙江同濟水能水資源研究所和浙江禹貢信息科技有限公司聯合對智能節水灌溉自動化系統終端進行了基于移動互聯的開發與升級，目前已經成功應用到多個農業基地的生產與安全監管。

移動互聯平臺的引入，減少了項目的硬件投入成本、加強了遠程監管的水平以及實現了“隨地可監管、無時不監控”等功能。

（1）基于移動互聯的遠程智能控制系統

為了方便管理人員進行遠距離智能監測與控制，開發了基于云服務的移動互聯型遠程智能控制系統。

本系統以基于西門子PLC-200型現地智能灌溉控制系統為基礎，通過無線網關，在手機上可以實現自動灌溉控制。手機上也可以查詢基地的溫度和濕度等狀態參數。本系統的控制可以配合移動終端的遠程視頻監管系統進行。

（2）基于移動互聯的遠程視頻監管系統

為了加強安全監管，采用基于移動互聯的遠程視頻監管系統，該系統在移動平臺上實現的視頻監測，通過基于移動互聯的遠程智能控制系統實現控制功能，同時具有手機遠程啟動報警裝置，防止閑人進入基地，保障基地的安全。

5　實施案例分析

5.1實施基地介紹

本基地位于嘉興地區海寧市錢塘江江畔，基地總面積達到100畝，現在準備對核心基地實施該項目。其中，基于移動互聯終端視頻安全監控區域50畝，建設典型灌溉基地15畝，基地分為南北2塊種植區，其中左邊種植區長200 m，寬24 m，右邊種植區長200 m，寬26 m，在地塊大的土地上建立一個水池，進行渠道改造等，嘉興基地如圖4所示。

圖4　嘉興基地圖

當地塊水分濕度值低于要求時自動加水，高于要求時自動停水，本項目采用滴灌灌溉。

具體指標及功能要求為：

（1）遠程和現地控制每塊地的含水率，也可手動操作控制；

（2）可隨時查看土壤含水數據；

（3）可隨時查看基地的溫度數據，并能查詢歷史數據；

（4）實現手機移動視頻監控，能夠手機遠程報警；

（5）實現手機移動智能灌溉控制；

（6）實現權限管理，級別越高，登錄權限越大。

5.2安裝技術流程路線及內容

基于云服務的智能灌溉自動控制系統的推廣與實施的總體技術路線如圖5所示。

圖5　項目的總技術路線圖

實施工作內容：

（1）水池建設，管路及電纜的敷設；

（2）狀態控制系統的集成安裝、調試；

（3）遠程狀態監控系統安裝與調試；

（4）系統聯合功能測試、技術支持與集成調試；

（5）匯總建設成果，組織項目驗收。

5.3主要成效

智能節水灌溉是浙江省“五水共治”節水環節的重要組成部分，采用智能節水灌溉自動化，不但能夠達到節水的目的，而且可以實時監控整個農業生產基地狀態，提高農作物的生產效益，減少人工投入的成本以及提高基地的安全。因此該項目的實施對提高基地的智能化現代化水平、提高生產效益、減少水資源浪費、提高基地安全監管水平、增強基地的示范和輻射作用等方面具有重要意義。

為提高水資源利用率，實現精細灌溉、適時灌溉、解放勞動力、發展高效農業，節水灌溉自動化控制系統應用互聯網遠程監管等新技術，對土壤濕度和作物生長實時監測，對灌區灌溉用水進行監測預報，實行節水灌溉智能化、水肥一體化管理。節水灌溉自動化控制系統具有如下優點，并成功應用于溫州市等各地區節水灌溉自動化控制工程。

（1）將充分發揮現有的節水設備作用，優化調度，提高效益；

（2）通過自動控制技術的應用，更加節水節能，降低灌溉成本，提高灌溉質量；

（3）將使灌溉更加科學，方便、提高管理水平。

6　結束語

基于云技術的智能節水灌溉自動化控制系統是基于物聯網技術的無線灌溉自動化系統，由無線閥門控制器、電磁閥、無線中繼器、無線水泵控制器、無線水分采集器、無線氣象站等設備和監控中心組成。節水灌溉自動化控制系統具有布點靈活、施工方便、維護容易和成本低廉的優勢，轉變灌溉方式，提高作物品質、增加作物產品，節約灌溉用水，提高灌溉管理水平。

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S274.2

A

1672-5387（2016）05-0022-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.05.008

2016-04-01

王建華（1975-），男，高級工程師，研究方向：水利水電工程。